你所不知道的渦輪運作原理與結構解說!

你所不知道的渦輪運作原理與結構解說!

●什麼是渦輪(渦輪增壓器)
●渦輪增壓器的運作原理與結構
●渦輪增壓器的優缺點
●世上第一款配備渦輪增壓器的車
●與「機械增壓器」的區別
●渦輪車將會走入歷史? 

什麼是渦輪(渦輪增壓器)


▲渦輪機的外觀像似蝸牛。©nutcha11 / stock.adobe.com

渦輪增壓器(簡稱渦輪),是一種引擎的輔助設備,日文中稱為「增壓器」。搭載渦輪的車輛可透過此裝置將壓縮空氣送至引擎,藉此獲得更大的動力輸出。近年來高壓縮比的引擎已成為主流,為了要維持高壓縮力因此需要吸入更大量的空氣,因此渦輪的需求也就開始增加,並且有時也會作為降低油耗的裝置。順帶一提,沒有配備渦輪的引擎稱為NA(naturally-aspirated自然進氣)引擎,這類型的引擎是目前市面上最普遍的。
 
低排氣量也能獲得強勁的動力

例如,為了獲得相當於3,000cc或4,000cc等大排氣量引擎的動力,可以在2,000cc的引擎中裝上渦輪。這樣一來,就可利用渦輪將1,000cc或2,000cc的空氣壓縮後推入引擎,進而獲得接近大排氣量引擎的動力。
 

▲被稱為小排量渦輪引擎先驅的Volkswagen Golf GTI。
 
小排氣量加上渦輪就是「小排量渦輪」。
 
渦輪增壓器的運作原理與結構


▲圖為渦輪增壓器。©alexlmx / stock.adobe.com

渦輪增壓器一般由以下四個部分所組成:

●渦輪機(壓縮空氣的裝置)
●中冷器(冷卻壓縮空氣的裝置)
●管道(連接渦輪與中間冷卻器的管道)
●排氣閥(釋放提高的壓力並防止其逆流,以保護渦輪的裝置) 
 
渦輪增壓器的運作流程
 

▲由於渦輪機是在高溫高速狀態下旋轉,因此會在隔熱板印上「禁止觸摸」的警示標誌。
 
渦輪機的外觀像蝸牛,它是利用廢氣来進行轉動。當渦輪機旋轉時,反側相連的渦輪機也會同步轉動,吸入更多的空氣。另外,渦輪機是以每分鐘20萬次以上的超高速進行旋轉。


▲圖為中冷器。
 
空氣被壓縮後,溫度會提高,此時在引擎中燃燒燃料的耗損就會增加。因此需要安裝中冷器作為冷卻空氣的裝置。踩下油門讓渦輪機旋轉時,正常把空氣推入引擎內就好,但鬆開油門之後,推進去的空氣就會從引擎倒流回渦輪機。


▲圖為排氣閥。
 
當空氣回流到渦輪機,會造成渦輪機很大的負荷,而排氣閥的作用便是釋放這些倒流的空氣。那個經常會發出「呲—」和「咻—」聲的零件就是排氣閥。當拆除排氣閥並將孔洞堵住時,回流的空氣會直接撞擊渦輪機,發出「咻咚咚」的聲音。這種情況被稱為「渦輪喘振」。
 
中冷器也需要冷卻!
 
 ▲圖為Subaru Levorg。
 
由於中冷器時常與壓縮後的空氣進行熱交換,導致中冷器本身的溫度也會提高,因此需要冷卻。在跑車引擎蓋上看到的洞口(進氣口)就是為了冷卻中冷器而設計的。舉個較為熟悉的例子,在配備水平對臥引擎的Subaru渦輪車上就經常能看見這種設計。不過有些車款因為中冷器位於引擎前端,所以不需要進氣口,也有為了追求輕便靈活感而採用了假進氣口設計的車款。
 
渦輪增壓器的優缺點
 
渦輪增壓器的優點

渦輪增壓器最大的優點是即使排氣量較小,也能提供與大型引擎相同的動力。另外,通過更換排氣系統的零件,如更換消音器等或改變渦輪的控制模式,也能輕鬆提高動力。只要解決引擎最多能承載多少壓力的問題,就可以根據渦輪的狀況任意提高動力吧。
 
最新的渦輪並不會很耗油!
 
近年來,在高壓縮比引擎中使用渦輪增壓器的目的並不是用來提高動力,而是為了提高燃油效率。可以說,過去一直被詬病的渦輪增壓器會造成燃油效率低下的時代已經宣告結束了。
 
稅金也會變便宜!可節省支出!
 
如果安裝了渦輪增壓器使排氣量降低,汽車牌照稅也會跟著降低。另外,與混合動力系統和柴油引擎相比,渦輪增壓器的成本相對較低也是其魅力所在。
 
渦輪增壓器的缺點

與基本的NA引擎(常見的引擎)相比,由於零件較多,車身重量往往較重。根據車型的不同,僅僅是渦輪增壓器等輔助裝置,重量就能相差到幾十公斤。最近的車款對重量非常敏感,為了盡量減輕車重並提高燃油效率,都不喜歡放置備胎。所以因渦輪輔助裝置而增加的幾十公斤,對車廠來說可能會過多了些。
 
在低轉速下不能充分發揮作用的「渦輪遲滯」也會出現
 
渦輪增壓是利用引擎的廢氣來轉動渦輪機,所以在難以產出廢氣的低轉速時,會沒有足夠的動力來轉動渦輪機。因此當踩下油門時,在渦輪機開始運作之前會產生延遲。這就是所謂的「渦輪遲滯」。不過,最近現了「雙渦流渦輪增壓器」,通過將管道分成兩個獨立的通道來把廢氣送入渦輪機,即使在低轉速下也能提供動力給渦輪機。
 
世上第一款配備渦輪增壓器的車
 

▲圖為BMW 2002 1973年車型。
 
BMW 2002被認為是第一輛配備渦輪增壓器的車款。BMW 2002在1973年舉辦的法蘭克福車展上亮相,當時世界正處於石油危機的影響中。
 
 ▲BMW 2002渦輪增壓器引擎示意圖。
 
渦輪增壓器原本是飛機的零件,用以確保在空氣稀薄的天空中能保持穩定的空氣量。而在道路行駛上,它被用於提高動力,包括保時捷、BMW、VOLVO等都將渦輪增壓器實際應用在賽車競賽中,使競爭更加激烈。也因如此,渦輪增壓器=賽車的印象逐漸開始加深,帶有高性能和跑車的印象也開始確立了。
 
與「機械增壓器」的區別
 

▲圖為日產March Super Turbo。
 
這款車是在一台引擎上配備渦輪增壓器和機械增壓器,兩個系統並存的最強小型房車。這兩種增壓器的目的是一樣的,都是為了強制將壓縮的空氣送入引擎內,不過「機械增壓器」會利用引擎的部分輸出來使壓縮機旋轉。因此,與渦輪增壓器不同的是機械增壓器不會發生渦輪遲滯的現象,因為在踩下油門的那一刻就開始增壓了。但由於機械增壓器必須使用到引擎的動力,所以容易出現動力流失、耗油、速度不夠快等缺點。而現在渦輪增壓器在低速時的增壓可以靠雙渦流渦輪增壓器來補足,因此渦輪增壓器以它諸多優勢成為市面上常用的增壓器。
 
渦輪車將會走入歷史?
 

▲Subaru Levorg 1.6GT-S EyeSight(2014年車型)。
 
目前全世界正在向無碳化的方向發展,隨著氫燃料、油電混合動力、EV馬達等電動車成為主流,作為引擎輔助裝置的渦輪增壓器的必要性也將消失。如果是油電混合動力車,現在還有活躍在賽事中的混合動力渦輪,因此尚有一席之地。但是作爲市售車的話,消費者有著定期維護的成本問題,而車廠方面則存在著製造成本的問題。對於那些可能想專注於開發燃料電池和電動汽車的車廠來說,將會暫緩研發渦輪車吧。如果是這樣,之後渦輪車或許將會走入歷史。

 
原文出處:意外と知らない?ターボ(ターボチャージャー)の仕組みや構造を解説!
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